兩種大跨度門式墩方案設計比較分析

聶細鋒

（中鐵二院貴陽公司，貴州 貴陽 550002）

兩種大跨度門式墩方案設計比較分析

聶細鋒

（中鐵二院貴陽公司，貴州 貴陽 550002）

針對大跨度門式墩，結合預應力混凝土蓋梁、立柱與蓋梁固結及鋼結構蓋梁、立柱與蓋梁鉸接兩種方案門式墩力學性能進行有限元分析；并結合工程實際分別從力學性能、經濟性能及適用性能對兩種門式墩方案進行詳細比較，有關經驗可供相關專業人員參考。

大跨度；門式墩；鋼蓋梁；比較分析

0 引言

近年來，隨著我國交通建設發展蓬勃，公路、鐵路及管線之間的交叉亦逐漸增多，為了減少彼此之間功能的影響，門式墩的使用亦非常普遍[1]。國內門式墩大部分采用預應力混凝土結構，然而當門式墩跨度較大時，混凝土結構門式墩經濟性能較差。本文結合貴陽市軌道交通1號線區間某新建高架橋橋址處狀況，就采取兩種不同形式的大跨度門式墩方案進行綜合比較分析，明確各方案優缺點。

1 門式墩工程概況

新建高架橋上跨城市市政道路，受軌道交通線路及市政道路線位交叉控制，門式墩跨度為26.7 m，兩立柱高度均為14 m，基礎采用樁基礎。門式墩平面布置見圖1。

圖1 門式墩平面布置圖（單位：cm）

1.1 門式墩方案介紹

預應力混凝土蓋梁方案（方案一）：蓋梁截面尺寸見圖2（a），立柱與蓋梁固結，門式墩橫向為框架結構。

鋼蓋梁方案（方案二）：蓋梁截面尺寸見圖2（b），立柱與蓋梁鉸接，門式墩橫向為簡支結構。

圖2 方案一及方案二蓋梁截面尺寸圖（單位：cm）

立柱為矩形截面，尺寸為2.5 m×3.5 m，根據相關文獻[2,3]，混凝土蓋梁與立柱剛度比為0.6，處于合理范圍。承臺尺寸為7 m×7 m×2.5 m，承臺底設4根1.5 m直徑鉆孔樁，樁長為12 m。

預應力混凝土蓋梁材料為C50混凝土，鋼蓋梁為Q345qD鋼材，立柱為C40混凝土。

1.2 門式墩模型建立

采用大型通用軟件Midas建立門式墩計算模型，蓋梁、立柱及樁基礎均采用梁單元模擬，地基各土層水平抗力系數根據地質參數m值計算求得。恒載包括梁體及門式墩自重、二期恒載、支座墊石頂梁部恒載反力、預應力荷載、基礎變位及混凝土收縮徐變影響；活載包括支座墊石頂梁部活載反力、離心力及橫向搖擺力；附加力包括制動力、風力及溫度荷載，以上荷載值均根據相應規范[4，5]計算求得。兩種方案門式墩有限元模型見圖3。

圖3 方案一及方案二門式墩墩有限元模型

2 門式墩方案比較分析

方案一預應力混凝土蓋梁按全預應力混凝土進行簡算，梁體共布置30束M15-17型鋼束，最不利工況下截面最大壓應力為13.2 MPa，最小壓應力為1.3 MPa；方案二鋼蓋梁采用Q345qD鋼材，最不利工況下梁體最大拉、壓應力均為121 MPa，滿足規范容許值210 MPa要求。在兩組方案各組成構件驗算結果均滿足規范要求的前提下，分別對其進行以下三方面比較。

2.1 力學性能比較分析

根據有限元計算結果，兩組方案蓋梁、立柱在最不利工況下截面內力數值見表1、表2。

表1 兩組方案蓋梁內力數值

表2 兩組方案立柱內力數值

根據以上分析結果可以得知：（1）預應力混凝土蓋梁為壓彎受力構件，鋼蓋梁為純彎受力構件，鋼蓋梁跨中彎矩較大，較混凝土蓋梁可發揮鋼材抗拉性能強的優點，并較混凝土蓋梁自重顯著減小；（2）方案一立柱與蓋梁固結，為壓彎受力構件，彎矩及軸力均相對較大，方案二立柱與蓋梁鉸接，以受壓為主，活載及附加力產生的彎矩較小；（3）方案一蓋梁與立柱固結為超靜定結構，較方案二受溫度影響大；（4）根據內力數值，方案二立柱及基礎較方案一結構尺寸可進行優化。

2.2 經濟性能比較分析

對方案二立柱及基礎尺寸進行優化后，兩組方案主要材料用量見表3。

表3 兩組方案主要材料用量表

據表3可知：（1）方案二較方案一蓋梁鋼材用量顯著較多，造價相對較高；（2）方案二較方案一立柱及基礎工程材料用量較少，造價相對較低，同時方案二需增設支座。

另從施工方面考慮，方案一需搭設支架澆筑混凝土蓋梁，并張拉預應力，施工過程中對既有道路通行有一定影響；方案二鋼蓋梁采用吊裝拼接施工，施工周期較方案一顯著減短。

2.3 適用性能比較分析

當門式墩跨越跨越既有運營線路時，采用鋼制蓋梁可縮短施工周期，減少對既有運營線路的影響；當地基條件較差時，靜定結構較超靜定結構可避免基礎沉降引起的附加內力。從后期養護角度分析，鋼蓋梁較混凝土蓋梁養護次數多。

3 結論

（1）方案一門式墩為超靜定結構，整體剛度較方案二大，同時受次內力影響較大。

（2）方案一較方案二蓋梁自重顯著增大，立柱及基礎外力亦較大。

（3）兩種類型門式墩整體經濟性能相近，方案二施工周期較方案一顯著減短。

（4）當門式墩跨越既有既有運營線路時，采用鋼結構蓋梁優勢較大，施工過程中對運營道路影響較小。

[1]王永超.淺議門式墩的發展與應用[J].城市道橋與防洪,2013(3):104-105,216.

[2]陳明清.大跨度門架墩設計探討[J].城市道橋與防洪,2009(8):11-15.

[3]姚嵐.大跨度鋼結構門式墩設計[J].山西建筑,2012(11):201-202.

[4]TB 10002-2017,鐵路橋涵設計規范[S].

[5]TB 10091-2017,鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].

TU391

B

1009-7716（2017）12-0060-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.017

2017-06-24

聶細鋒（1987-），男，江西豐城人，工程師，從事橋梁結構設計工作。